1. INTRODUCERE
Asa cum se stie, prin biologie se intelege stiinta vietii (gr. bios - viata, logos - stiinta) .
Stabilirea si elucidarea unor analogii intre sistemele tehnice si cele biologice a fost si ramane o
inepuizabila sursa de inspiratie in stimularea si dezvoltarea creativitatii tehnice.
Una din cele mai tinere stiinte care s-au delimitat in ultimele decenii, este bionica.
Notiunea a fost introdusa de americanul J.E.Steele in 1960 (provine din cuplarea
notiunilor de biologie si electronica), pentru a desemna cercetarile de cibernetica orientate in
special spre studiul simularii mecanice a unor functii caracteristice organismelor.
Bionica a fost definita ca stiinta care studiaza functiile organismelor vii si simularea prin
mijloace tehnice a acestor functii. Printre obiectivele cercetarii bionice actuale, o atentie speciala
este acordata:
- studiului sistemului nervos conceput ca retea hipercomplexa de senzori;
- studiului organelor senzoriale;
- studiului organelor efectoare.
Studiul organelor efectoare si al proceselor de transmitere a comenzilor catre organele
efectoare reprezinta o parte esentiala a bionicii.
Solutiile existente in natura vie in acest domeniu sunt extrem de diverse si ingenioase.
Studiul si imitarea lor este de o inestimabila utilitate in circumstante nenumarate. Ca
exemple tipice pot fi citate cele ale constructiei manipulatoarelor automate si ale pedipulatoarelor
automate.
Asa cum se stie, mecanismul este un sistem mecanic in care corpurile materiale
rezistente componente, intre care exista legaturi mobile, isi pot schimba sub actiunea fortelor
pozitia relativa, in mod determinat, pentru indeplinirea unor functii necesare (transmiterea puterii
mecanice, a fortelor, a miscarilor, ghidarea corpurilor etc.).
Biomecanismul este acel sistem mecanic intalnit in organismele vii, care are caracteristici
comune cu mecanismul definit anterior.
Mecanismul bionic reprezinta acele mecanisme care modeleaza structura si functiile
biomecanismelor. Acesta se mai poate defini ca fiind mecanism echivalent biomecanismului a9s.
Biomecanismul este mecanismul existent in biosisteme.
Mecanismul bionic este mecanismul care modeleaza structura si functiile
biomecanismului.
Devin astfel, interesante, biomecanismele care realizeaza performante deosebite. Intre
acestea, biomecanismele care realizeaza locomotia prin salt se caracterizeaza prin:
- deplasarea rapida;
- consum energetic minim;
- echilibrare dinamica;
- prezinta componente care realizeaza recul elastic.
Locomotia prin salt a inceput sa fie studiata relativ recent. Parintele deplasarii prin salt,
M. H. Raibert, a infiintat MIT Leg Laboratory in 1980 pe care l-a condus pana in 1995. In 1980
Marc Raibert era cadru diadctic asociat si preda metode computationale la Institutul de Robotica,
dupa care a devenit profesor de inginerie electrica si de stiinte informationale devenind membru
al Artificial Intelligence Laboratory. In 1995 Raibert a devenit presedintele companiei private
Boston Dynamics Inc.
In
perioada
1980-2000 MIT Leg Laboratory a proiectat si a realizat aproximativ 20 de
roboti, majoritatea obtinuti pe baza studiilor realizate pe subiecti din regnul animal (dinozaur,
flamingo, curcan, capra, cal, cangur etc.) [10].
2. ANALIZA MISCARII DE SALT A BROASTEI-DE-LAC
Pentru identificarea functiilor cinematice ale biomecanismului aferent locomotiei prin salt
la broasca a fost necesara filmarea in conditii de laborator a subiectului viu. S-au folosit doua
exemplare de broasca-de-lac mare (Rana ridibunda ridibunda) dintre care unul de masa 10,7 g,
iar celalalt de masa 25 g.
Filmarea s-a realizat in doua etape:
1. In conditii de studio cu doua camere mobile de tipul PANASONIC M40 si SONY 8 mm.
2. In conditii de studio cu doua camere fixe de tipul JVC cu 20 cadre/sec.
Subiectii au fost introdusi intr-o cutie de sticla la care s-au atasat repere fixe trasate pe hartie
milimetrica pe doua fete ale acesteia. S-au realizat filmari paralel cu planul YOZ, XOY si XOZ
care au pus in evidenta parametrii cinematici necesari pentru identificarea miscarii spatiale.
S-au utilizat mai multe scheme principale de filmare utilizand in principal doua camere de luat vederi. O astfel de schema de filmare este prezentata in fig.1.
Fig.1. Schema de filmare la care o camera a fost amplasata perpendicular pe planul YOZ, iar
cealalta perpendicular pe planul XOY.
Filmarile s-au realizat cu camere fixe fixate pe trepied sau cu camere mobile cu operator
uman, analiza miscarii studiindu-se fata de reperul fix XYZ sau fata de un alt reper fix paralel cu
acesta. Filmarea s-a realizat in timp real cu 20 de cadre pe secunda, fara contorizarea timpului pe
videocamera, baza de timp luandu-se in considerare pe filmele digitale obtinute. Utilizand un
videocasetofon PANASONIC NV-P2U (videoplayer cu inregistrare) si un calculator cu procesor
Pentium II dotat cu o placa de captura video 3DEMON iar cu programul Adobe Premiere 4.2. s-a
transformat semnalul video in fisiere TIFF Bitmap (20 de fisiere pentru fiecare secunda de film)
la rezolutia 320x420 dpi. Programul Adobe Premiere 4.2. este un program de captura de imagine
care pe langa posibilitatea transformarii semnalului video in film digital permite selectarea
secventelor si montarea acestora, avand toate instrumentele necesare unui laborator de montaj.
Pentru filmele realizate (care s-au obtinut cu camere care filmeaza cu 20 de cadre pe secunda)
s-au obtinut secvente TIFF pentru fragmentele selectate care cuprind salturile interesante. Trebuie
remarcat faptul ca, din materialul vast filmat numai o parte foarte mica devine material real
pentru analiza saltului, deoarece:
- conditiilor de studio sunt complet diferite de ecosistemul animalelor studiate;
- exista timpi de pregatire si de asteptare;
- subiectii obosesc relativ repede (dupa 4-5 salturi);
- subiectii analizati sunt activi noaptea si mai putin in timpul zilei;
- deseori, subiectii lovesc peretii in timpul saltului datorita reflexiei de oglinda a sticlei
(animalul considera ca este prezent un alt exemplar in apropiere).
Materialul selectat si transformat in imagini TIFF este supus operatiei de contorizare prin
introducerea bazei de timp; prin filmare cu 20 de cadre pe secunda se poate considera ca se obtine
o imagine la fiecare 0,05 secunde. De asemenea, se traseaza sistemul global fix la care se va
raporta miscarea de salt. In figura 7 se prezinta o imagine cu contorul de timp si sistemul fix de
axe.
Se constata ca se pot obtine solutii relativ precise pentru pozitiile punctelor caracteristice
biomecanismului broastei-de-lac, chiar daca se face analiza unor imagini laterale (prin filmarea
planului XOZ) utilizand aceste unelte auxiliare suprapuse peste imaginea bruta obtinuta prin prelucrarea cu Adobe Premiere, urmata de prelucrarea cu CorelDraw. Astfel, se poate extrage
coordonata Y pentru punctele aflate in centrul articulatiilor prin trasarea auxiliara a proiectantelor
pe planul XOY.
Pentru sistematizarea datelor s-a considerat ca este necesara schematizarea structurii
biomecanice a subiectului studiat, precum si notarea articulatiilor principale care participa la
locomotia prin salt. Astfel, s-a obtinut schema din figura 2 care s-a creat printr-o serie de
simplificari evidente.
